Печи для ионно плазменного азотирования

Сравнение технологии PulsPlasma® от фирмы PlaTeG GmbH с другими методами упрочнения поверхности

Введение

Для повышения износостойкости высоконагруженных взаимодействующих поверхностей инструмента и деталей коробок передач из стали до сегодняшнего дня наиболее часто используют процесс цементации с последующей закалкой.

В зависимости от способа цементации и эксплуатационных характеристик детали конструктор определяет не только материал, а и такие значения как твердость поверхности и глубина цементации.

Это значит, что зубчатые колеса коробок передач, к примеру для высоконагруженных приводов ветряных электростанций, должны быть науглерожены перед закалкой при температуре свыше 900 ºС в течении довольно длительного времени, чтобы достичь глубины упрочненного слоя около 1..2 мм.

Закалка после цементации ведет к изменению структуры в обрабатываемом материале и, как следствие, к изменению веса и формы. После закалки детали должны быть дополнительно отпущены для снижения внутренних напряжений и получения необходимой структуры. Для достижения требуемого качества поверхности и веса деталей после термообработки необходима дополнительная механическая обработка.

Альтернативой цементации является поверхностное упрочнение методом азотирования. При этом речь идет о термохимическом процессе диффузии для обогащения поверхностного слоя деталей азотом. Азот при этом вступает во взаимодействие с основным металлом и легирующими элементами, образуя химические соединения.

В результате азотирования в поверхностной зоне детали возникает азотированный слой с внешней областью (т.н. связующий слой СС) и внутренней областью диффузии (т.н. зона диффузии ЗД).

Благодаря твердости азотированного слоя и возникающим в нем напряжениям увеличиваются износостойкость, коррозионностойкость и сопротивляемость длительным нагрузкам, вне зависимости от прочностных характеристик детали.

При этом существенным преимуществом азотирования по сравнению с цементацией является то, что для диффузии азота в сталь необходимы температуры, эквивалентные температурам отпуска для улучшаемых и инструментальных сталей. Структурные превращения и связанные с ними коробления, изменение размеров и прочности при азотировании существенно ниже. Кроме того после азотирования, как правило, не требуется дополнительная обработка.

Обзор способов азотирования

  •  Методы азотирования часто различают по агрегатному состоянию азота в исходном состоянии:
  • — жидкий: Карбонитрирование (цианирование) в расплаве солей
  • — газообразный: Газовое азотирование и карбонитрирование
  • — ионизированный газ: азотирование и карбонитрирование в плазме тлеющего разряда

Печи для ионно плазменного азотирования

Таблица 1 — Обзор способов азотирования

Названные методы азотирования имеют, однако, свои достоинства и недостатки, которые должны приниматься во внимание при выборе азотирования как альтернативы цементации в зависимости от требуемых параметров детали и достигаемых свойств в процессе азотирования.

Процесс азотирования в расплаве солей благодаря короткому времени процесса является очень гибким. Этот метод наиболее выгоден в тех случаях, когда на первом месте стоит повышение износо- и коррозионностойкости обрабатываемых поверхностей. Однако некоторые, более и менее значимые недостатки этого процесса, ограничивают применение данного метода, в особенности для больших деталей:

  1. — Большие затраты на мойку после азотирования
  2. — Большие затраты на восстановление и удаление соли и моечного раствора
  3. — Большие затраты энергии при работе ванны, что ограничивает размер ванны
  4. — Температура обработки сильно ограничена
  5. — Частичное азотирование трудноосуществимо

Газовое азотирование и карбонитрирование — это более универсальные процессы азотирования, которые в прошедшие 10 лет интенсивно развивались с точки зрения технологии, оборудования и систем управления.

Эти два метода являются очень хорошей альтернативой цементации.

В особенности при обработке крупного инструмента и зубчатых колес на основании существенного снижения температуры обработки и отсутствия дальнейшей обработки азотирование имеет экономические преимущества по сравнению с цементацией.

  • Несмотря на высокий технологический уровень этих методов газового азотирования, имеется несколько моментов, которые ограничивают применяемость этих методов с технических, экономических и экологических точек зрения:
  • — Высокое потребление газа
  • — Использование горючих газов, что требует специальных мероприятий по защите
  • — Нет возможности депассивации поверхности деталей в процессе азотирования
  • — Невозможно азотирование нержавеющих сталей
  • — Высокие расходы по нанесению и удалению специальных средств для защиты неазотируемых поверхностей

PulsPlasma — азотирование

Первое применение азотирования в плазме появилось в 30-х и 40-х годах прошлого столетия. Позже, в 60-70-х годах этот метод развился до индустриальных масштабов. Первые установки азотирования в плазме имели холодные стенки камеры и работали с постоянным током.

Дальнейший толчок в развитии азотирование в плазме получило в середине 80-х годов с появлением т.н. пульсирующего метода. При этом возбуждение плазмы достигается посредством пульсирующего постоянного напряжения. Появление электрической дуги избегается с помощью постоянного прерывания напряжения.

Также необходимо разделять подводимую мощность плазмы и нагрев деталей до температуры обработки. Установки постоянного тока с необходимостью охлаждения стенок камеры для отвода избыточной тепловой энергии (установки с холодными стенками) постепенно теряют актуальность.

Установки с горячими стенками с отдельным нагревом стенок камеры являются сегодня стандартом в плазменном азотировании.

При классических процессах азотирования и карбонитрирования в расплаве солей и газах происходит диссоциация азотосодержащих компонентов и образование азотированного слоя вследствие термохимического процесса в условиях атмосферного давления или небольшого избытка давления.

 Для разложения азотосодержащих компонентов, активации процесса и образовании нитридов необходима энергия термической реакции. Для поддержания процесса азотирования существует минимальная температура, при которой процесс насыщения еще не идет или идет очень медленно, что экономически не выгодно.

Необходимые температуры процессов приведены в таблице 1.

В противоположность названным выше процессам при PulsPlasma® — азотировании необходима энергия возбужденного газа (плазма тлеющего разряда), чтобы активировать необходимую реакцию для образования связующего слоя (СС) и диссоциации молекул азота на атомы.

Азотируемые детали, сформированные в садку, помещаются в нагреваемую вакуумную камеру. После откачки до рабочего давления (50 до 400 Па) между садкой (катод) и стенкой камеры (анод) прикладывают пульсирующее напряжение более сотни вольт, так что находящийся в камере газ ионизируется и становится электропроводным.

В зависимости от величины приложенного напряжения между обрабатываемыми деталями и стенкой камеры зажигается тлеющий разряд, который в зависимости от давления, температуры и газа характеризуется определенным свечением. Активные атомы азота в смеси обрабатывающих газов могут образовывать с атомами железа азотируемой стали химическое соединение.

Кроме того атомы азота диффундируют в зависимости от температуры и времени в глубь стали.

Печи для ионно плазменного азотирования

Для PulsPlasma® — азотирования или карбонитрирования применяют смеси азота и водорода и газы с добавками углерода, как, к примеру, метан. В процессе азотирования происходит осаждение на поверхности обрабатываемой детали атомов азота с образованием нитрида железа FexNy – связующего слоя СС.

В зависимости от продолжительности процесса насыщения и температуры атомы азота проникают вглубь приграничной зоны и образуют диффузионный слой (ДС). Этот азот может располагаться как в кристаллической решетке железа, так и содержаться в виде соединений.

Образованные с помощью PulsPlasma® — процесса слои в основном имеют схожее строение со слоями, полученными другими методами азотирования. СС располагается, в зависимости от материала и параметров процесса, в области около 1 – 20 мкм.

Толщина диффузионной зоны, характеризующей толщину упрочненного слоя, может составлять при стандартных условиях азотирования до 0,6 мм.

Азотирование на глубину больше 0,6 мм, к примеру, для высоконагруженных деталей редукторов, возможно в случае подбора подходящего материала.

Преимущества процесса PulsPlasma®

Распределение температуры

Использование камеры с электрически нагреваемыми стенками имеет наряду с энергосберегающим эффектом влияние на распределение температуры по садке деталей.

Для того чтобы избежать существенного превышения температуры в садке при  использовании камеры с холодными стенками, во многих случаях отказываются от использования всего объема. Вместо этого формируют цилиндрические садки в цилиндрической камере.

При использовании установки с горячими стенками благодаря меньшей подведенной энергии с помощью пульсирующей плазмы проводится азотирование полностью скомплектованной садки без опасности перегрева некоторых участков.

Азотирование как плотно упакованной садки, так и очень больших деталей может быть с успехом реализовано с помощью установок для PulsPlasma® — процесса.

Часто PulsPlasma® — установки изготавливаются со встроенной системой автоматизации перемещения камер, в отличие от шахтных и камерных печей.

Садка устанавливается непосредственно на прилагаемое основание с помощью садочного устройства. Рама с деталями может быть при необходимости предварительно подготовлена и уже комплектно с деталями установлена в установку.

Печи для ионно плазменного азотирования

В случае особенно большого, тяжелого инструмента или деталей, имеет смысл отказаться от колпакового принципа в пользу установки камерного типа. Такая установка для обработки штампов кузова автомобиля с единичной загрузкой до 40 т показана на рисунке ниже. C помощью крана деталь загружается на тележку, после чего тележка с деталью помещаются в камеру установки.

Печи для ионно плазменного азотирования

Расход газа при процессе

При PulsPlasma® — азотировании в зависимости от конкретного случая применения и свойств слоя работают со смесями азот-водород-метан.

В процессе азотирования не возникают неэкологичные продукты реакции, так что использованные газы могут быть удалены в окружающее пространство без дополнительной обработки. Плазменное азотирование проводят при невысоких давлениях, поэтому расход технологических газов достаточно низкий.

Камера с размерами 1200×2000 мм потребляет в среднем 180 л/ч газовой смеси. Установка для газового азотирования с такими же размерами расходует от 6000 до 10000 л/ч аммиака и углеродосодержащей смеси. При классической цементации расход газов аналогично высокий.

 Поэтому при газовом азотировании и цементации образуется большое количество горючего отработанного газа, вредного для окружающей среды и требующего дополнительной энергии для его дополнительного дожигания.

Читайте также:  Трансформатор для паяльной станции

Гибкие температуры обработки

На сновании возбуждения плазмы процесса азотирования и дозировании мощности благодаря пульсирующему принципу действия, возможно, проводить процессы PulsPlasma® — азотирования в широкой температурной области между 350 ºС и 600 º.

Детали, подверженные короблению могут азотироваться в этом случае при оптимальных условиях. Изменение размеров деталей из-за освобождения внутренних напряжений при высоких температурах обработки минимизируется.

Прочность основного металла азотированных деталей также остается неизменной, т.к. температура азотирования определяется несколько ниже температуры отпуска при улучшении (процесс термообработки до азотирования). После азотирования не требуется дополнительная термическая обработка. Детали после PulsPlasma® — азотирования могут сразу использоваться по назначению.

Стали с высоким содержанием хрома, которые могут быть проазотированы в расплаве солей с потерей коррозионностойкости и с помощью газового азотирования с высокими потерями, с помощью PulsPlasma® — азотирования обрабатываются без проблем.

В этом случае непосредственно перед насыщением необходима депассивация поверхности с помощью бомбардировки поверхности ионами.

Благодаря выбору температур азотирования ниже 450 ºС и точному регулированию состава газовой смеси становится возможным получать на поверхности деталей твердый, износостойкий слой без потери коррозионной стойкости.

Обработка порошковых сталей

Обработка деталей из порошка с помощью цементации, карбонитрирования в расплаве солей и газового азотирования из-за ограниченных условий данных процессов оставляет в порошковом материале большее или меньшее количество пор.

 При обработке в плазме фактически обрабатываются только внешние поверхности, охваченные тлеющим разрядом. По причине низких давлений (вакуум) и малого количества газа, в процессе азотирования в плазме нет опасности переазотирования и переотверждения.

При проведении процесса вместе с деталями размещают образец, из того же материала, что и детали в садке, и подверженный той же обработке до азотирования.

Частичная обработка

Нет других более простых методов поверхностного упрочнения, позволяющих проводить частичную обработку, чем PulsPlasma® — азотирование.

Участки, не подвергающиеся насыщению, закрываются простыми механическими средствами. Специальные защитные замазки, которые после процесса необходимо удалять, в данном случае не требуются.

Защищенная поверхность не испытывает на себе никакого влияния в процессе азотирования в плазме.

Комбинация процессов

По причине близких процессов и почти идентичного оборудования, существует возможность комбинировать несколько процессов обработки поверхности в специально предусмотренной для этого установке.

Для дальнейшего улучшения коррозионностойкости азотированных деталей можно простым изменением параметров процесса и технологического газа получить дополнительно к процессу PulsPlasma® — азотирования процесс PulsPlasma® — оксидирования.

Процесс оксидирования способствует формированию слоя оксида железа Fe3O4 толщиной от 1 до 3 мкм на связующем азотированном слое.

В зависимости от качества стали и предшествующего процесса азотирования стойкость к коррозии может достигать до 200 часов в камере солевого тумана по DIN. Еще одним преимуществом оксидирования является улучшение антифрикционных свойств обработанных поверхностей так, что при определенных условиях смазки обработанные подобным способом пары трения могут восстанавливаться.

Ионно-плазменное азоторование

  • В настоящее время большое распространение получило применение технологии ИПА, так как позволяет сэкономить основное оборудование и производственные площади, снизить станочные и транспортные затраты, уменьшить расход электроэнергии и активных газовых сред. Метод ИПА имеет следующие основные преимущества:
  • ¾ более высокая поверхностная твердость;
  • ¾ отсутствие деформации после обработки и высокая чистота поверхности;
  • ¾ повышение предела выносливости и увеличение износостойкости обработанной детали;
  • ¾ более низкая температура обработки, благодаря чему, в стали не происходит структурные превращения;
  • ¾ сохранение твердости азотированного слоя после нагрева до 600…650°С;
  • ¾ возможность получения слоев заданного состава;
  • ¾ возможность обработки изделий неограниченных размеров и форм;
  • ¾ отсутствие загрязнения окружающей среды;
  • ¾ повышение культуры производства;
  • снижение себестоимости обработки в несколько раз.
  • Преимущества ИПА проявляются и в существенном сокращении основных издержек производства.

На рисунке 2 изображена схема установки для ионно-плазменного азотирования.

Печи для ионно плазменного азотирования

Рисунок 2 — Схема установки для ионно-плазменного азотирования (1 – деталь, 2 –вакуумный контейнер, 3 – блок электропитания, 4 – прибор регулирования температуры, 5 –газовая гребенка, 6- вакуум – насос)

В разреженном пространстве между катодом (деталью) и анодом (вакуумный контейнер) возбуждается тлеющий разряд в среде газа, содержащего атомы и ионы азота. В качестве насыщающей атмосферы используют аммиак из баллонов, смесь азота с водородом или тщательно очищенный от кислорода азот.

При возбуждении тлеющего разряда к поверхности детали устремляется поток положительно заряженных ионов азота. При ударах ионов о катод выделяется тепло, за счет которого происходит разогрев поверхности детали. Низкое давление обеспечивает равномерное и полноценное покрытие детали свечением. Рабочее давление в камере печи составляет 1…10 мм рт.ст. Температура плазмы колеблется от 400 до 950°С.

Формирующаяся на поверхности пленка состоит из двух слоев: нижнего диффузионного и верхнего нитридного.

Обеспечение стабильной температуры упирается в процессы теплообмена, происходящие непосредственно внутри камеры для ИПА. Для снижения интенсивности обменных процессов со стенками камеры используются специальные, непроводящие тепло экраны. Они позволяют значительно сэкономить на потребляемой мощности.

Температура процесса вкупе с длительностью влияют на глубину проникновения нитридов, что вызывает изменения в графике глубинного распределения показателей твердости.

В данном случае температура ниже 500 градусов наиболее оптимальная для азотирования легированных сталей поскольку эксплуатационные характеристики повышаются без изменения твердости сердцевины и термического разрушения внутренней структуры.

В результате в диффузионном слое прилегающая развитая нитридная зона снижает вероятность образования межкристаллитной коррозии, обеспечивая достаточный для активного трения квалитет шероховатости. С таким соотношением слоев зубчатое колесо с успехом будет использоваться в механизмах, работающих на износ.

Варьируя состав насыщения газа, давление, температуру и время выдержки, можно получать слои заданной структуры и фазового состава, обеспечивая строго регламентируемые свойства сталей и ее сплавов.

Применения ИПА в предлагаемом технологическом процессе заключается в следующем.

Для повышения механических свойств материала деталь подвергают ИПА перед чистовой обработки, обеспечивая защиту поверхностей за счет припуска, значение которого больше максимальной толщины азотированного слоя.

В результате термической обработки поверхностная твердость зубьев должна быть в пределах 64…72 HRC при глубине азотированного слоя 1,1…1,3 мм.

После ионно-плазменного азотирования (ИПА) упрочнения зубчатых колес предел выносливости зубьев при испытаниях на усталость при изгибе достигает 930 МПа. Контактная усталостная прочность после ИПА выше, а износостойкость диффузионного ионно-плазменного азотированного слоя в 2…4 раза выше износостойкости цементованного слоя.

Установка ионно-плазменного азотирования состоит из рабочей камеры, шкафа управления, системы откачки, системы водяного охлаждения, соединительный кабелей и магистралей (рис. 3).

Печи для ионно плазменного азотирования

Рисунок 3 — Установка ионно-плазменного азотирования ЭВТ 40

Рабочая камера состоит из неподвижного основания. В основании камеры размещены откачной патрубок, подвод электропитания, термопарный ввод, газоввод и штуцера системы охлаждения. Катод установлен на опорах, имеющих диэлектрические вставки.

Управление работой установки и контроль за ходом процесса обработки осуществляется автоматически по заданной программе посредством специализированного контроллера и персонального компьютера, встроенный в шкаф управления.

Все этапы установки (вакуумирование камеры, разогрев садки, выдержка и остуживание) автоматизированы. Переход от одного шага процесса к другому осуществляется либо по истечении заданного интервала времени (на выдержке), либо по достижении определенного заданного значения некоторого параметра-температуры либо давления (на разогреве садки).

  1. В ходе технологического процесса на установке осуществляется контроль следующих параметров, которые отображаются на дисплее в виде графического протокола процесса:
  2. ¾ рабочее давление;
  3. ¾ температура;
  4. ¾ расходов трех рабочих газов;
  5. ¾ напряжение и ток разряда.
  6. По завершении процесс определяется суммарный расход каждого из компонентов газовой смеси и расход электроэнергии, затраченной на формирование разряда в процессе обработки.

Установки ионного азотирования ЭВТ 40, ЭВТ 60, ЭВТ 70, ЭВТ 90, ЭВТ 95

Установки ЭВТ – это простые и надежные вакуумные печи для выполнения широкого круга технологических задач по азотированию и нитроцементации деталей машин и инструмента.

Отсутствие массивной теплоизоляции обеспечивает минимальную инерционность печи. Применение тлеющего разряда как единственного источника нагрева обеспечивает высокую экономичность работы (нагревается не рабочий объем, а только деталь), особенно при выполнении срочных работ с малым количеством деталей.

Тлеющий разряд активизирует как рабочую среду, так и обрабатываемую поверхность, что сокращает продолжительность азотирования до минимального значения, зависящего только от марки стали и температуры обработки.

Оператор быстро приобретает навыки, необходимые для вывода печи на режим, что существенно сокращает подготовительные операции и обеспечивает универсальность работы печи. Система управления печи автоматически поддерживает заданные значения температуры деталей, давления и состава газовой среды.

Регулировка температуры:

  • микропроцессорный программируемый ПИД-регулятор температуры,
  • стабильность поддержания номинальной температуры ± 5°С,
  • источник питания — управляемый выпрямитель в режимах постоянного напряжения и импульсного напряжения с раздельным регулированием амплитуды и скважности.

Система вакуумной откачки:

  • стандартное время откачки до 0,1 Торр – 15 … 25 мин,
  • механический форвакуумный насос с быстротой действия 16….63 л/с.
Читайте также:  6В75 широкоуниверсальный фрезерный станок

Дополнительные возможности (по запросу):

  • замена насоса на откачной агрегат.
  • Система подачи рабочих газов:
  • встроенный диссоциатор аммиака,
  • электронные регуляторы расхода,
  • ПИД-регулятор давления.

Дополнительные возможности (по запросу):

  • водородный генератор взамен диссоциатора аммиака,
  • одна или две дополнительные линии для подачи рабочих газов.

Система контроля:

  • защита от перехода в дуговой режим,
  • система блокировок для защиты от отказов в работе печи и от ошибок оператора,
  • индикация неисправностей,
  • запись температуры на стандартной круговой диаграмме.

Дополнительные возможности (по запросу):

  • программируемый логический контроллер с сенсорным экраном,
  • многоканальный ленточный самописец.

Диапазон рабочих давлений:

  • от 0,1 Торр в начале процесса до 2-5 Торр при азотировании и остаточное давление или инертный газ при охлаждении.

Нагревательная камера и зона нагрева:

  • двойные стенки из толстолистовой стали с водяным охлаждением,
  • крышка с водяным охлаждением и механизмом перемещения с ручным проводом,
  • экраны из листовой нержавеющей стали,
  • два смотровых окна для визуального контроля,
  • размеры зоны нагрева приведены в таблице.
Печи для ионно плазменного азотирования

Установки ионного азотирования ЭВТ 40, ЭВТ 60, ЭВТ 70, ЭВТ 90, ЭВТ 95

Установка Полезная рабочая зона, м (диаметр х высота) Объем полезной рабочей зоны м3 Допустимая масса деталей, кг
1. ЭВТ 90 0,6 х 0,6 0,17 200
2. ЭВТ 40 0,6 х 1,2 0,34
3. ЭВТ 95 0,9 х 1,2 0,77 1000
4. ЭВТ 60 0,9 х 1,8 1,15
5. ЭВТ 70 1,1 х 1,8 1,71 1500

Азотирование стали: назначение, технология и разновидности процесса

Азотирование, в процессе выполнения которого поверхностный слой стального изделия насыщается азотом, стало использоваться в промышленных масштабах относительно недавно. Такой метод обработки, предложенный к использованию академиком Н.П. Чижевским, позволяет улучшить многие характеристики изделий, изготовленных из стальных сплавов.

Цех ионно-вакуумного азотирования

Суть технологии

Азотирование стали, если сравнивать его с таким популярным методом обработки данного металла, как цементация, отличается рядом весомых преимуществ. Именно поэтому данная технология стала применяться в качестве основного способа улучшения качественных характеристик стали.

При азотировании стальное изделие не подвергается значительному термическому воздействию, при этом твердость его поверхностного слоя значительно увеличивается. Важно, что размеры азотируемых деталей не изменяются.

Это позволяет применять такой метод обработки для стальных изделий, которые уже прошли закалку с высоким отпуском и отшлифованы до требуемых геометрических параметров.

После выполнения азотирования, или азотации, как часто называют этот процесс, сталь можно сразу подвергать полировке или другим методам финишной обработки.

Схема установки азотирования в тлеющем разряде

Азотирование стали заключается в том, что металл подвергают нагреву в среде, характеризующейся высоким содержанием аммиака. В результате такой обработки с поверхностным слоем металла, насыщающимся азотом, происходят следующие изменения.

  • За счет того, что твердость поверхностного слоя стали повышается, улучшается износостойкость детали.
  • Возрастает усталостная прочность изделия.
  • Поверхность изделия становится устойчивой к коррозии. Такая устойчивость сохраняется при контакте стали с водой, влажным воздухом и паровоздушной средой.

Микроструктура качественно азотированного слоя стали марки 38Х2МЮА

Выполнение азотирования позволяет получить более стабильные показатели твердости стали, чем при осуществлении цементации.

Так, поверхностный слой изделия, которое было подвергнуто азотированию, сохраняет свою твердость даже при нагреве до температуры 550–600°, в то время как после цементации твердость поверхностного слоя может начать снижаться уже при нагреве изделия свыше 225°. Прочностные характеристики поверхностного слоя стали после азотирования в 1,5–2 раза выше, чем после закалки или цементации.

Как протекает процесс азотирования

Детали из металла помещают в герметично закрытый муфель, который затем устанавливается в печь для азотирования. В печи муфель с деталью нагревают до температуры, которая обычно находится в интервале 500–600°, а затем выдерживают некоторое время при таком температурном режиме.

Вакуумная печь для термической обработки с системой газового азотирования

Чтобы сформировать внутри муфеля рабочую среду, необходимую для протекания азотирования, в него под давлением подается аммиак. Нагреваясь, аммиак начинает разлагаться на составные элементы, данный процесс описывает следующая химическая формула:

2NH3 → 6H + 2N.

Атомарный азот, выделяющийся в процессе протекания такой реакции, начинает диффузировать в металл, из которого изготовлена обрабатываемая деталь, что приводит к образованию на ее поверхности нитридов, характеризующихся высокой твердостью. Чтобы закрепить результат и не дать поверхности детали окислиться, муфель вместе с изделием и аммиаком, который в ней продолжает оставаться, медленно охлаждают вместе с печью для азотирования.

Нитридный слой, формирующийся на поверхности металла в процессе азотирования, может иметь толщину в интервале 0,3–0,6 мм. Этого вполне достаточно для того, чтобы наделить изделие требуемыми прочностными характеристиками. Обработанную по такой технологии сталь можно не подвергать никаким дополнительным методам обработки.

Классификация процессов азотирования

Процессы, протекающие в поверхностном слое стального изделия при его азотировании, достаточно сложны, но уже хорошо изучены специалистами металлургической отрасли. В результате протекания таких процессов в структуре обрабатываемого металла формируются следующие фазы:

  • твердый раствор Fe3N, характеризующийся содержанием азота в пределах 8–11,2%;
  • твердый раствор Fe4N, азота в котором содержится 5,7–6,1%;
  • раствор азота, формирующийся в α-железе.

Дополнительная α-фаза в структуре металла формируется тогда, когда температура азотирования начинает превышать 591°. В тот момент, когда степень насыщения данной фазы азотом достигает своего максимума, в структуре металла формируется новая фаза. Эвтектоидный распад в структуре металла происходит тогда, когда степень его насыщения азотом достигает уровня 2,35%.

Клапана высокотехнологичных двигателей внутреннего сгорания обязательно проходят процесс азотирования

Факторы, оказывающие влияние на азотацию

Основными факторами, которые оказывают влияние на азотирование, являются:

  • температура, при которой выполняется такая технологическая операция;
  • давление газа, подаваемого в муфель;
  • продолжительность выдержки детали в печи.

На эффективность протекания такого процесса также оказывает влияние степень диссоциации аммиака, которая, как правило, находится в интервале 15–45%.

При повышении температуры азотирования твердость формируемого слоя снижается, но процесс диффузии азота в структуру металла ускоряется.

Снижение твердости поверхностного слоя металла при его азотировании происходит из-за коагуляции нитридов легирующих элементов, входящих в его состав.

Влияние температуры и легирующих элементов на формирование азотированного слоя

Для ускорения процесса азотирования и повышения его эффективности применяют двухэтапную схему его выполнения. Первый этап азотирования при использовании такой схемы выполняют при температуре, не превышающей 525°. Это позволяет придать поверхностному слою стального изделия высокую твердость.

Для выполнения второго этапа процедуры деталь нагревают до температуры 600–620°, при этом глубина азотированного слоя достигает требуемых значений, а сам процесс ускоряется практически в два раза.

Твердость поверхностного слоя стального изделия, обработанного по такой технологии, не ниже, чем аналогичный параметр изделий, прошедших обработку по одноступенчатой методике.

Типы азотируемых сталей

Обработке по технологии азотирования могут подвергаться как углеродистые, так и легированные стали, характеризующихся содержанием углерода в пределах 0,3–0,5%.

Максимального эффекта при использовании такой технологической операции удается добиться в том случае, если ей подвергаются стали, в химический состав которых входят легирующие элементы, формирующие твердые и термостойкие нитриды. К таким элементам, в частности, относятся молибден, алюминий, хром и другие металлы, обладающие подобными характеристиками.

Стали, содержащие молибден, не подвержены такому негативному явлению, как отпускная хрупкость, которая возникает при медленном остывании стального изделия. После азотирования стали различных марок приобретают следующую твердость:

Твердость сталей после азотирования

Легирующие элементы, находящиеся в химическом составе стали, увеличивают твердость азотированного слоя, но вместе с тем уменьшают его толщину. Наиболее активно на толщину азотируемого слоя оказывают влияние такие химические элементы, как вольфрам, молибден, хром и никель.

В зависимости от сферы применения изделия, которое подвергается процедуре азотирования, а также от условий его эксплуатации для осуществления такой технологической операции рекомендуется использовать определенные марки стали. Так, в соответствии с технологической задачей, которую необходимо решить, специалисты советуют применять для азотирования изделия из следующих марок сталей.
38Х2МЮА

Это сталь, которая после азотирования отличается высокой твердостью наружной поверхности.

Алюминий, содержащийся в химическом составе такой стали, снижает деформационную стойкость изделия, но в то же время способствует повышению твердости и износостойкости его наружной поверхности.

Исключение алюминия из химического состава стали позволяет создавать из нее изделия более сложной конфигурации.

40Х, 40ХФА

Данные легированные стали используются для изготовления деталей, применяемых в области станкостроения.

30Х3М, 38ХГМ, 38ХНМФА, 38ХН3МА

Эти стали служат для производства изделий, подвергающихся в процессе своей эксплуатации частым циклическим нагрузкам на изгиб.

30Х3МФ1

Из данного стального сплава изготавливаются изделия, к точности геометрических параметров которых предъявляются высокие требования. Для придания более высокой твердости деталям из данной стали (это преимущественно детали топливного оборудования) в ее химический состав могут добавлять кремний.

Характеристики некоторых сталей после азотирования

Технологическая схема азотирования

Чтобы выполнить традиционное газовое азотирование, инновационное плазменное азотирование или ионное азотирование, обрабатываемую деталь подвергают ряду технологических операций.

Читайте также:  Синдром позвоночной артерии при шейном остеохондрозе

Подготовительная термообработка

Такая обработка заключается в закалке изделия и его высоком отпуске.

Закалка в рамках выполнения такой процедуры осуществляется при температуре около 940°, при этом охлаждение обрабатываемого изделия производят в масле или воде.

Последующий после выполнения закалки отпуск, проходящий при температуре 600–700°, позволяет наделить обрабатываемый металл твердостью, при которой его можно легко резать.

Режимы термообработки перед азотированием

Механическая обработка

Эта операция заканчивается его шлифовкой, позволяющей довести геометрические параметры детали до требуемых значений.

Защита участков изделия, которые не требуют азотирования

Осуществляется такая защита путем нанесения тонкого слоя (не более 0,015 мм) олова или жидкого стекла. Для этого используется технология электролиза. Пленка из данных материалов, формирующаяся на поверхности изделия, не позволяет азоту проникать в его внутреннюю структуру.

Выполнение самого азотирования

Подготовленное изделие подвергают обработке в газовой среде.

Рекомендуемые режимы азотирования стали

Финишная обработка

Этот этап необходим для того, чтобы довести геометрические и механические характеристики изделия до требуемых значений.

Степень изменения геометрических параметров детали при выполнении азотирования, как уже говорилось выше, очень незначительна, и зависит она от таких факторов, как толщина слоя поверхности, который подвергается насыщению азотом; температурный режим процедуры.

Гарантировать практически полное отсутствие деформации обрабатываемого изделия позволяет более усовершенствованная технология – ионное азотирование.

При выполнении ионно-плазменного азотирования стальные изделия подвергаются меньшему термическому воздействию, благодаря чему их деформация и сводится к минимуму.

В отличие от инновационного ионно-плазменного азотирования, традиционное может выполняться при температурах, доходящих до 700°. Для этого может применяться сменный муфель или муфель, встроенный в нагревательную печь.

Использование сменного муфеля, в который обрабатываемые детали загружаются заранее, перед его установкой в печь, позволяет значительно ускорить процесс азотирования, но не всегда является экономически оправданным вариантом (особенно в тех случаях, когда обработке подвергаются крупногабаритные изделия).

Пуансон массой более 230 кг, подвергнутый азотированной обработке

Типы рабочих сред

Для выполнения азотирования могут использоваться различные типы рабочих сред. Наиболее распространенной из них является газовая среда, состоящая на 50% из аммиака и на 50% из пропана или из аммиака и эндогаза, взятых в таких же пропорциях.

Процесс азотирования в такой среде выполняется при температуре 570°. При этом изделие подвергается воздействию газовой среды на протяжении 3 часов.

Азотированный слой, создаваемый при использовании такой рабочей среды, имеет небольшую толщину, но высокую прочность и износостойкость.

Большое распространение в последнее время получает метод ионно-плазменного азотирования, выполняемого в азотосодержащей разряженной среде.

Ионно-плазменное азотирования – взгляд «изнутри»

Отличительной особенностью ионно-плазменного азотирования, которое также называют обработкой при тлеющем разряде, является то, что обрабатываемую деталь и муфель подключают к источнику электрического тока, при этом изделие выступает в качестве отрицательно заряженного электрода, а муфель – в роли положительно заряженного. В результате между деталью и муфелем формируется поток ионов – своего рода плазма, состоящая из N2 или NH3, за счет которой происходят и нагрев обрабатываемой поверхности, и ее насыщение необходимым количеством азота.

Кроме традиционного и ионно-плазменного азотирования процесс насыщения поверхности стали азотом может выполняться в жидкой среде. В качестве рабочей среды, которая имеет температуру нагрева порядка 570°, в таких случаях используется расплав цианистых солей. Время азотирования, выполняемого в жидкой рабочей среде, может составлять от 30 до 180 минут.

Установки «Холодные стенки»

Effective date: October 22, 2018

Ionitech Ltd. («us», «we», or «our») operates the https://www.ionitech.com/ website (the «Service»).

This page informs you of our policies regarding the collection, use, and disclosure of personal data when you use our Service and the choices you have associated with that data.

We use your data to provide and improve the Service. By using the Service, you agree to the collection and use of information in accordance with this policy. Unless otherwise defined in this Privacy Policy, terms used in this Privacy Policy have the same meanings as in our Terms and Conditions, accessible from https://www.ionitech.com/

Information Collection And Use

We collect several different types of information for various purposes to provide and improve our Service to you.

Types of Data Collected

Personal Data

While using our Service, we may ask you to provide us with certain personally identifiable information that can be used to contact or identify you («Personal Data»). Personally identifiable information may include, but is not limited to:

Usage Data

We may also collect information how the Service is accessed and used («Usage Data»). This Usage Data may include information such as your computer's Internet Protocol address (e.g. IP address), browser type, browser version, the pages of our Service that you visit, the time and date of your visit, the time spent on those pages, unique device identifiers and other diagnostic data.

Tracking & Cookies Data

We use cookies and similar tracking technologies to track the activity on our Service and hold certain information.

Cookies are files with small amount of data which may include an anonymous unique identifier. Cookies are sent to your browser from a website and stored on your device. Tracking technologies also used are beacons, tags, and scripts to collect and track information and to improve and analyze our Service.

You can instruct your browser to refuse all cookies or to indicate when a cookie is being sent. However, if you do not accept cookies, you may not be able to use some portions of our Service.

Examples of Cookies we use:

  • Session Cookies. We use Session Cookies to operate our Service.
  • Preference Cookies. We use Preference Cookies to remember your preferences and various settings.
  • Security Cookies. We use Security Cookies for security purposes.

Use of Data

Ionitech Ltd. uses the collected data for various purposes:

  • To provide and maintain the Service
  • To notify you about changes to our Service
  • To allow you to participate in interactive features of our Service when you choose to do so
  • To provide customer care and support
  • To provide analysis or valuable information so that we can improve the Service
  • To monitor the usage of the Service
  • To detect, prevent and address technical issues

Transfer Of Data

  • Your information, including Personal Data, may be transferred to — and maintained on — computers located outside of your state, province, country or other governmental jurisdiction where the data protection laws may differ than those from your jurisdiction.
  • If you are located outside Bulgaria and choose to provide information to us, please note that we transfer the data, including Personal Data, to Bulgaria and process it there.
  • Your consent to this Privacy Policy followed by your submission of such information represents your agreement to that transfer.

Ionitech Ltd.

will take all steps reasonably necessary to ensure that your data is treated securely and in accordance with this Privacy Policy and no transfer of your Personal Data will take place to an organization or a country unless there are adequate controls in place including the security of your data and other personal information.

Disclosure Of Data

Legal Requirements

Ionitech Ltd. may disclose your Personal Data in the good faith belief that such action is necessary to:

  • To comply with a legal obligation
  • To protect and defend the rights or property of Ionitech Ltd.
  • To prevent or investigate possible wrongdoing in connection with the Service
  • To protect the personal safety of users of the Service or the public
  • To protect against legal liability

Security Of Data

The security of your data is important to us, but remember that no method of transmission over the Internet, or method of electronic storage is 100% secure. While we strive to use commercially acceptable means to protect your Personal Data, we cannot guarantee its absolute security.

Service Providers

We may employ third party companies and individuals to facilitate our Service («Service Providers»), to provide the Service on our behalf, to perform Service-related services or to assist us in analyzing how our Service is used.

These third parties have access to your Personal Data only to perform these tasks on our behalf and are obligated not to disclose or use it for any other purpose.

Analytics

We may use third-party Service Providers to monitor and analyze the use of our Service.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector